傳感器應(yīng)用技術(shù)

1、第4章 物位及厚度檢測(cè),物位的基本概念：物位-----液位、料位和相界面的總稱。液位-----液體介質(zhì)液面的高低；料位-----固體粉狀或顆粒狀物質(zhì)堆積的高度；相界面-----兩種不同液體介質(zhì)的分界面。,,第4章 物位及厚度檢測(cè),物位檢測(cè)方法：物位檢測(cè)總體上可分為直接檢測(cè)和間接檢測(cè)兩種方法，由于測(cè)量狀況及條件復(fù)雜多樣，因而往往采用間接測(cè)量，即將物位信號(hào)轉(zhuǎn)化為其它相關(guān)信號(hào)進(jìn)行測(cè)量。,,第4章 物位及厚度檢測(cè),直接測(cè)量法：

2、直接測(cè)量是一種最為簡(jiǎn)單、直觀的測(cè)量方法。其中液位檢測(cè)常會(huì)用到直接測(cè)量，它是利用連通器的原理，將容器中的液體引入帶有標(biāo)尺的觀察管中，通過標(biāo)尺讀出液位高度。,,第4章 物位及厚度檢測(cè),常用的間接檢測(cè)方法有：浮力法和靜壓法；電學(xué)法（電容法）； 微波法；超聲波法；核輻射法等。,,4.3 微波式傳感器,電磁波（又稱：電磁輻射、電子煙霧）是能量的一種，凡是高于絕對(duì)零度的物體，都會(huì)釋出電磁波。 電磁波頻率低時(shí)，主要借由有形的導(dǎo)電體才能傳

3、遞；電磁波頻率高時(shí)即可以在自由空間內(nèi)傳遞，也可以束縛在有形的導(dǎo)電體內(nèi)傳遞。 電磁波譜 無線電波 3000米～0.3毫米（微波 0.1~100厘米）； 紅外線 0.3毫米～0.75微米；（其中：近紅外為0.76~3微米，中紅外為3~6微米，遠(yuǎn)紅外為6~15微米，超遠(yuǎn)紅外為15~300微米） 可見光 0.7微米～0.4微米； 紫外線 0.4微米～10毫微米; X射線

4、 10毫微米～0.1毫微米 ； γ射線 0.1毫微米～0.001毫微米； 高能射線小于0.001毫微米 。,,4.3 微波式傳感器,微波的特點(diǎn)是:在各種障礙物上能產(chǎn)生良好的反射，具有良好的定向輻射性能；在傳輸過程中受到粉塵、煙霧、火焰及強(qiáng)光的影響小，具有很強(qiáng)的環(huán)境適應(yīng)能力。微波碰到金屬就發(fā)生反射，金屬根本沒有辦法吸收或傳導(dǎo)它；微波可以穿過玻璃、陶瓷、塑料等絕緣材料，但不會(huì)消耗

5、能量；而水（蒸汽）會(huì)對(duì)微波產(chǎn)生強(qiáng)烈吸收。,,一、微波傳感器的組成 微波振蕩器和微波天線是微波傳感器的重要組成部分，構(gòu)成微波振蕩器的器件有速調(diào)管、磁控管或某些固體器件。由微波振蕩器產(chǎn)生的振蕩信號(hào)需要用波導(dǎo)管(波長(zhǎng)在10cm以上可用同軸電纜)傳輸，并通過天線發(fā)射出去，常用的天線有喇叭形天線、拋物面天線和介質(zhì)線等。,4.3 微波式傳感器,,4.3 微波式傳感器,,常用的微波天線(a) 扇形喇叭天線; (b) 圓錐形喇叭天線;

6、 (c) 旋轉(zhuǎn)拋物面天線; (d) 拋物柱面天線,二、微波傳感器工作原理 微波傳感器的敏感元件可認(rèn)為是一個(gè)微波場(chǎng)。其它部分可視為一個(gè)轉(zhuǎn)換器和接收器，如圖所示。,,Microwave sourse,4.3 微波式傳感器,,MS與T合二為一稱為有源微波傳感器；MS與R合二為一稱為自振蕩式微波傳感器。,1.反射式微波傳感器 反射式微波傳感器是通過檢測(cè)被測(cè)物體反射回來的微波功率或經(jīng)過的時(shí)間間隔來測(cè)量被測(cè)位置、厚度等參

7、數(shù)。 2.遮斷式微波傳感器 遮斷式微波傳感器是通過檢測(cè)接受天線接收到的微波功率大小，來判斷發(fā)射天線和接收天線之間有無被測(cè)物或被測(cè)物體的位置與含水量等參數(shù)。,4.3 微波式傳感器,,4.3 微波式傳感器,三、微波物位計(jì) 微波物位計(jì)原理如圖所示。當(dāng)被測(cè)物位低于設(shè)定物位時(shí)，接收天線接收的功率為:,,,,當(dāng)被測(cè)物位升高到天線所在高度時(shí)，接收天線接收的功率為,η——由被測(cè)物形狀、材料性質(zhì)、電磁性能及高度所

8、決定的系數(shù),----發(fā)射天線的發(fā)射功率； ----發(fā)射天線的增益； ----接收天線的增益。,4.3 微波式傳感器,四、微波液位計(jì) 微波液位計(jì)原理如圖所示，接收天線接收到的功率Pr為:,,,,,----發(fā)射天線的發(fā)射功率； ----發(fā)射天線的增益； ----接收天線的增益。,4.3 微波式傳感器,圖中所示是目前

9、在工程應(yīng)用較多的調(diào)頻連續(xù)波式微波物位（液位和料位）計(jì)。,,4.3 微波式傳感器,通常只需將發(fā)射、接收天線裝在被測(cè)料倉(cāng)（罐）上方，即可對(duì)物位進(jìn)行連續(xù)測(cè)量。這種調(diào)頻連續(xù)波式微波物位計(jì)抗機(jī)械噪聲、電磁噪聲能力強(qiáng)，在高溫、高壓、高粘度情況下，可連續(xù)、快速而準(zhǔn)確地測(cè)出目標(biāo)物體的物位值。,,4.4 超聲波物位及厚度檢測(cè),4.4.1 超聲波檢測(cè)原理 一、超聲波人耳所能聽到的聲波頻率在20～20000Hz之間，頻率超過20000Hz，人耳

10、不能聽到的聲波稱為超聲波(由逆壓電效應(yīng)產(chǎn)生)。機(jī)械振動(dòng)在介質(zhì)中的傳播稱為機(jī)械波。機(jī)械波與電磁波既有相似之處又有不同之處，機(jī)械波由機(jī)械振動(dòng)產(chǎn)生，電磁波由電磁振蕩產(chǎn)生；機(jī)械波的傳播需要特定的介質(zhì)，在不同介質(zhì)中的傳播速度也不同，在真空中根本不能傳播，而電磁波（例如光波）可以在真空中傳播；機(jī)械波可以是橫波和縱波，但電磁波只能是橫波；機(jī)械波與電磁波的許多物理性質(zhì)，如：折射、反射等是一致的，描述它們的物理量也是相同的。常見的機(jī)械波有：水波、聲波、

11、地震波。機(jī)械波在介質(zhì)中的傳播速率是由介質(zhì)本身的固有性質(zhì)決定的。在不同介質(zhì)中，波速是不同的。,,次聲波的特點(diǎn)及應(yīng)用次聲波是指頻率低于人們的聽覺下限(20Hz)的聲波．例如，火山爆發(fā)、地震、海嘯、臺(tái)風(fēng)等所含能量巨大的自然現(xiàn)象及核爆中都會(huì)產(chǎn)生次聲波．次聲波傳播的特點(diǎn)是，能量衰減小，易受重力影響；在空氣中傳播易引起空氣分子的振動(dòng)，使部分聲能轉(zhuǎn)化為空氣的內(nèi)能．次聲波由于受重力影響，主要是沿地面?zhèn)鞑?，因而次聲波可以傳播很遠(yuǎn)的距離。次聲波常用于

12、探測(cè)波源(如爆炸點(diǎn))的位置、預(yù)測(cè)火山爆發(fā)、雷暴及異常的氣象變化等．超聲波的特點(diǎn)及應(yīng)用頻率高于人們的聽覺上限(20000 Hz)不能再激起聽覺的聲波叫超聲波。由于超聲波的波長(zhǎng)很短，所以只能是近似地做直線傳播．超聲波與一切波一樣會(huì)發(fā)生反射、折射、干涉、衍射等現(xiàn)象．超聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，超聲波與介質(zhì)間因相互作用而發(fā)生一系列的物理或化學(xué)變化。超聲波引起的效應(yīng)很多，主要表現(xiàn)是，介質(zhì)中的質(zhì)點(diǎn)在超聲波的作用下做受迫振動(dòng)，產(chǎn)生機(jī)械效應(yīng)，會(huì)使懸浮粒子

13、凝聚；強(qiáng)度很大的超聲波能引起物體破碎；超聲波可用做清洗、乳化，以促進(jìn)化學(xué)反應(yīng)，以及在此基礎(chǔ)上發(fā)展起來的超聲探傷、測(cè)距，醫(yī)學(xué)上廣泛應(yīng)用的超聲波診斷成像(B超)等等?，F(xiàn)在，超聲波與電磁輻射、粒子轟擊已成為研究物質(zhì)微觀結(jié)構(gòu)的三大重要手段．,二、超聲波的物理特性,1. 定向傳播2. 穿透能力強(qiáng)3. 反射特性,,三、超聲波的衰減,聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。其聲壓和聲強(qiáng)的衰減規(guī)律滿足以下函數(shù)關(guān)系：,,,式中:,,、,

14、,—— 聲波在距聲源x處的聲壓和聲強(qiáng)；,,、,,—— 聲波在聲源處的聲壓和聲強(qiáng)；,,,—— 聲波與聲源間的距離；,—— 衰減系數(shù)。,,,三、超聲波的衰減,,,,,,,,,,聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，隨著傳播距離的增加，能量逐漸衰減。在不同介質(zhì)中衰減的幅度關(guān)系如下： 固體<液體<氣體 聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)衰減的程度還與聲波的頻率有關(guān)，頻率越高，聲波的衰減也越大。,4.4.

15、2 超聲波傳感器,超聲傳感器是基于回聲測(cè)距原理設(shè)計(jì)的，利用超聲波發(fā)射探頭發(fā)出超聲脈沖，發(fā)射波在料位或液位表面反射形成回波，由接收探頭將信號(hào)接收下來，測(cè)出超聲脈沖從發(fā)射到接受所需時(shí)間，根據(jù)已知介質(zhì)中的波速就能計(jì)算出探頭到物位或液位表面的距離，從而確定物位的高度。,,4.4.2 超聲波傳感器,超聲波換能器：能將（交流）電信號(hào)轉(zhuǎn)換成機(jī)械振動(dòng)而向介質(zhì)中輻射（發(fā)射）超聲波，或?qū)⒊晥?chǎng)中的機(jī)械振動(dòng)轉(zhuǎn)換成相應(yīng)的電信號(hào)的裝置稱為超聲波換能器（或稱為探測(cè)

16、器、傳感器、探頭）。超聲波傳感器一般都是可逆的，既能發(fā)射也能接收發(fā)射超聲波。超聲換能器按其工作原理可分為壓電式、磁致伸縮式、電磁式等。最常用的是壓電式探頭。根據(jù)換能器結(jié)構(gòu)不同分： 直探頭式、斜探頭式和 多探頭式等。,,,壓電式超聲波傳感器結(jié)構(gòu)圖,4.4.3 超聲傳感器測(cè)物位,,超聲波液位計(jì)按傳聲介質(zhì)不同，可分為氣介式、液介式和固介式三種；按探頭的工作方式可分為自發(fā)自收的單探頭方式和收發(fā)分開的雙探頭方式。相互組合可以

17、得到六種液位計(jì)的方案。在容器底部或頂部安裝超聲波發(fā)射器和接收器，發(fā)射出的超聲波在相界面被反射。,由圖中可看出，超聲波傳播距離為H，波的傳播速度為v，傳播時(shí)間為Δt ，則：H的測(cè)量一般是用接收到的信號(hào)觸發(fā)門電路對(duì)振蕩器的脈沖進(jìn)行計(jì)數(shù)來實(shí)現(xiàn)。,4.4.3 超聲傳感器測(cè)物位,,超聲波法測(cè)厚常用脈沖回波法，測(cè)厚原理如圖所示：,,,4.4.4 超聲傳感器測(cè)厚度,,超聲波測(cè)厚儀AR850,測(cè)量范圍：1.2~225.0mm精度：+-(1%

18、+-0.1)mm,基于89C2051的超聲波測(cè)距儀的設(shè)計(jì),P1.0 端口輸出一個(gè)40kHz的脈沖信號(hào)，經(jīng)過三極管T放大，驅(qū)動(dòng)超聲波發(fā)射頭UCM40T，發(fā)出40kHz的脈沖超聲波 ；右側(cè)和左側(cè)測(cè)距電路的輸入端分別接P1.1和P1.2端口，工作原理與前方測(cè)距電路相同。 接收頭采用與發(fā)射頭配對(duì)的UCM40R，將超聲波調(diào)制脈沖變?yōu)榻蛔冸妷盒盘?hào)，經(jīng)運(yùn)算放大器IC1A和IC1B兩極放大后加至IC2。LM567輸入信號(hào)大于25mV，輸出端8腳由高電平

19、躍變?yōu)榈碗娖剑鳛橹袛嗾?qǐng)求信號(hào)，送至單片機(jī)處理 。,核輻射傳感器是根據(jù)被測(cè)物質(zhì)對(duì)射線的吸收、反散射或射線對(duì)被測(cè)物質(zhì)的電離激發(fā)作用而進(jìn)行工作，核輻射傳感器是核輻射式檢測(cè)儀表的重要組成部分，它是利用放射性同位素來進(jìn)行測(cè)量的。核輻射傳感器一般由放射源、探測(cè)器以及電信號(hào)轉(zhuǎn)換電路所組成。它可以檢測(cè)厚度、液位、物位等參數(shù)。,4.5 核輻射物位與厚度檢測(cè),,4.5.1 放射源和探測(cè)器,原子如果不是由于外界的原因，而是由于自發(fā)的結(jié)構(gòu)性的變化，稱為核衰

20、變，核衰變是放射性同位素的本征特性。放射性同位素在衰變的過程中釋放出一種特殊的，帶有一定能量的粒子或者射線，這種現(xiàn)象成為核輻射或者放射性。放射性同位素能放出α射線、β射線和γ射線。一、射線的種類及衰變規(guī)律 (1)α粒子：一般具有4～10MeV能量，其電離能力較強(qiáng)，主要用于氣體分析，用來測(cè)量氣體壓力、流量等參數(shù)。 α射線由于貫穿本領(lǐng)強(qiáng)，可以用來檢查金屬內(nèi)部有沒有沙眼或裂紋，所用的設(shè)備

21、叫α射線探傷儀；α射線的電離作用很強(qiáng)，可以用來消除機(jī)器在運(yùn)轉(zhuǎn)中因摩擦而產(chǎn)生的有害靜電；生物體內(nèi)的DNA(脫氧核糖核酸)承載著物種的遺傳密碼，但是DNA在射線作用下可能發(fā)生突變，所以通過射線照射可以使種子發(fā)生變異，培養(yǎng)出新的優(yōu)良品種；射線輻射還能抑制農(nóng)作物害蟲的生長(zhǎng)，甚至直接消滅害蟲．人體內(nèi)的癌細(xì)胞比正常細(xì)胞對(duì)射線更敏感，因此用射線照射可以治療惡性腫瘤，這就是醫(yī)生們說的“放療”。,,4.5 核輻射物位與厚度檢測(cè),(2)β粒子：實(shí)際上是高速

22、運(yùn)動(dòng)的電子，它在氣體中的射程可達(dá)20 m，主要測(cè)量材料的厚度、密度或重量；根據(jù)輻射的反散射來測(cè)量覆蓋層的厚度，利用β粒子很大的電離能力來測(cè)量氣體流。 (3)γ射線：是一種從原子核內(nèi)發(fā)射出來的電磁輻射，在物質(zhì)中的穿透能力比較強(qiáng)，在氣體中的射程為數(shù)百米，能穿過幾十厘米厚的固體物質(zhì)。主要用于金屬探傷、厚度檢測(cè)以及物體密度檢測(cè)等。,,4.5 核輻射物位與厚度檢測(cè),二、射線與物質(zhì)的相互作用 1.帶電粒子和物質(zhì)的相

23、互作用。 2.γ射線和物質(zhì)的相互作用,,,,I—穿過厚度為h的吸收層后的輻射通量強(qiáng)度I0—入射到吸收體的輻射通量的強(qiáng)度μ—線性吸收系數(shù) —質(zhì)量吸收系數(shù),1.電離室2.閃爍計(jì)數(shù)器,,,,4.5 核輻射物位與厚度檢測(cè),,三、常用探測(cè)器 探測(cè)器就是核輻射的接收器，它是核輻射傳感器的重要組成部分。其用途就是將核輻射信號(hào)轉(zhuǎn)換成電信號(hào)，從而探測(cè)出射線的強(qiáng)弱和變化。用于

24、檢測(cè)儀表的主要有電離室、閃爍計(jì)數(shù)器和蓋格計(jì)數(shù)等。,1 收集極 2 高壓極3 保護(hù)環(huán) 4 鍍鋁薄膜6 外殼,閃爍體的原子受激發(fā)光，光透過閃爍體射到光陰極上打出光電子，經(jīng)過倍增在陽(yáng)極上形成電流脈沖。,4.5.2 測(cè)量電路 常用的測(cè)量電路有電離室前置放大電路和閃爍計(jì)數(shù)器的前置放大電路，電離室前置放大電路如圖所示。,,R1>>R2,4.5 核輻射物位與厚度檢測(cè),,4.5.3 核輻射厚度計(jì),,,4.5 核輻射物位與厚